CN103749088B - 利用高速气流采摘枸杞的装置 - Google Patents

Abstract

本技术提供了一种结构简单、操作方便、采摘效率高的利用高速气流采摘枸杞的装置。它具有机架，机架上设置有与压缩气体源相通、用于喷出高速气流的喷出管路；高速气流流速为12.8～20m/s。

Description

利用高速气流采摘枸杞的装置

技术领域

本技术涉及利用高速气流采摘枸杞的装置。

背景技术

枸杞是我国西北地区大量种植的一种经济作物。在枸杞每年的成熟季节，仅宁夏回族自治区一个区，都要聘请数万的外来工人，手工采摘枸杞，劳动强度大，效率低，枸杞的采摘成本达到1.3～1.5元/斤。而现有的枸杞半机械化采摘技术（如技术专利申请公开号CN101167419，CN101326879），主要是通过电机带动曲柄连杆机构带动“山”字形或“梳齿”形的采果头直接摇动枸杞果树的某一个枝条，使得成熟的枸杞果实与枝条脱离。这种方法需要工人双手配合，围着约1.5米高的枸杞树转一圈，对枸杞枝条逐一操作。这种方法未能大幅提高枸杞的采摘效率，未能实现大幅降低枸杞的采摘成本。因此，快速发展的大规模枸杞种植产业迫切需要一种高效的全机械化的枸杞采摘机械。

发明内容

本技术提供了一种结构简单、操作方便、采摘效率高的利用高速气流采摘枸杞的装置。

本技术的利用高速气流采摘枸杞的装置，它具有机架，机架上设置有与压缩气体源相通、用于喷出高速气流的喷出管路；高速气流流速为12.8～20m/s。

本技术的有益效果：本技术是利用高速气流采摘枸杞的方法，利用高速气流对枸杞吹，使得成熟枸杞果实从果树的枝条上脱落。本技术采用高速气流对枸杞吹，方法简单有效，采摘效率高。

高速气流流速为12.8～20m/s，高速气流对果实的向下的作用下为1.39g～3g。对于枸杞的生长特性，青果的果柄结合力较大，而当果实成熟的时候，其果柄结合力急剧下降为2g左右，且平均长度、宽径由1.15cm、0.51cm增加到1.84cm、0.93cm，裸果单重平均由0.127g增加到0.6g。风力的计算公式为，其中为空气密度，S为迎风面积（果实的长度*宽径），v为空气流速，取空气的密度为1.2kg/m³。假定果柄结合力为2g，考虑到裸果自身的重量0.6g，果实受到的气流向下的吹力≥1.4g即可，据此推算出空气流速v约为12.8m/s。考虑到枸杞果树的树冠半径为750mm，高速气流从树冠的外周吹到树冠中心处流速会变小，当树冠中心处气流流速为12.8m/s时，树冠的外周处气流流速约为20m/s，在树冠外周处的果实受到的向下的吹力约为3g。成熟的枸杞果实的体积更大，重量更大，因而同样的气流速度下受到的风力更大，而其自身的重量也比青果大很多，在恰好可以使成熟的枸杞果实果柄脱离的风速情况下，青果和花朵直接被吹落的可能性很小，从而更进一步降低了气流对青果或者花朵的伤害。

上述的利用高速气流采摘枸杞的装置，在机架上设置有滑杆，在滑杆上设置有可以沿着滑杆滑动同时又可以相对于滑杆摆动的喷嘴，喷嘴与喷出管路出口相连通。喷嘴同滑杆的连接结构可以有多种多样，例如喷嘴设置喷嘴座上，在喷嘴座上设置有带动喷嘴相对于滑杆摆动的摆动驱动装置，在喷嘴座上设置有带动喷嘴座相对于滑杆滑动的滑动驱动装置，只要能够实现喷嘴相对于滑杆滑动和摆动即可。一般情况下，枸杞是分批次成熟的，喷嘴能够沿着滑杆上下滑动以调节喷嘴的位置，使得高速气流有针对性地吹向成熟的枸杞果实，尽可能避免直接吹向青果和花朵。喷嘴的摆动，能够改变气流方向，使得枸杞果实相对于枝条摆动，更利于枸杞的脱落。

上述的利用高速气流采摘枸杞的装置，所述滑杆有两根,左右对称的设置在机架的左右侧；机架下部具有两组驱动机架行走的行走机构，行走机构以滑杆的对称轴对称。采摘时，滑杆在果树的两侧（环绕树冠），行走机构驱动本枸杞采摘装置在地面上沿着一行行果树的轴线移动，滑杆的对称轴基本与一行行果树的轴线重合；即可快速完成对每一行果树中的每一株果树的连续采摘，大幅提高采摘效率。

上述的利用高速气流采摘枸杞的装置，喷嘴设置在喷嘴座上，喷嘴座可以沿着滑杆滑动同时又可以相对于滑杆摆动的设置在滑杆上，套筒滑动设置在滑杆上；滑台在平行于滑杆的方向上滑动的设置在机架上，滑台与驱动滑台相对于机架移动的滑台驱动机构相连；套筒和滑台固连；喷嘴座与设置在滑台上的、用于驱动喷嘴座绕滑杆摆动的喷嘴座摆动机构相连。工作时，滑台驱动机构动作，带动滑台相对于机架移动，由于套筒和滑台固连，套筒就沿着滑杆移动，这样，套筒就带动喷嘴座沿滑杆移动；同时，喷嘴座摆动机构动作，带动喷嘴座绕滑杆轴线摆动。因此，喷嘴座和喷嘴座上的喷嘴同时实现了沿滑杆的移动和绕滑杆的摆动。该利用高速气流采摘枸杞的装置有效地把各种机构有机结合起来，实现了复杂的运动。

上述的利用高速气流采摘枸杞的装置，它还包括一个可以相对于机架上下移动的喷嘴架，喷嘴架与设置在机架上的用于驱动喷嘴架上下移动的喷嘴架驱动机构相连；对喷嘴架上下移动导向的喷嘴架导轨设置在机架上；滑杆设置在喷嘴架上；滑台在平行于滑杆方向上滑动的设置在喷嘴架上，滑台与驱动滑台相对于喷嘴架移动的滑台驱动机构相连；所述滑杆是倾斜的。倾斜的滑杆能够与树冠的外轮廓基本一致，喷嘴沿滑杆移动时，能够保证喷嘴到树冠外轮廓的距离基本一致。喷嘴架带动滑杆、喷嘴座、滑台、滑台驱动机构、喷嘴座摆动机构等相对于机架上下移动，能够适应不同高度的果树。

上述的利用高速气流采摘枸杞的装置，在机架下部两侧分别具有沿着水平方向延伸的枸杞接收盘或者枸杞输送带，枸杞接收盘或者枸杞输送带之间有间隙。本利用高速气流采摘枸杞的装置在地面上行走时，果树的底部树干从间隙穿过。枸杞接收盘或者枸杞输送带用于接收脱落的果实。枸杞被吹下后，落在枸杞接收盘或者枸杞输送带上，枸杞接收盘兼具接住枸杞并暂时储存枸杞的功能，枸杞接收盘在达到存储容量上限时可以由人工将其拉出，将枸杞转移到其它转运车辆上。枸杞输送带可以将落在其上的枸杞向输送带的一侧输送，便于人们收集。为了便于全自动化的枸杞收集，上述的利用高速气流采摘枸杞的装置，在枸杞输送带的一端设置有枸杞提升皮带及枸杞储存箱。枸杞提升皮带的下端设置在枸杞输送带的一侧下部，枸杞储存箱在枸杞提升皮带的上端下部。枸杞被枸杞输送带输送到枸杞提升皮带上，枸杞提升皮带再把枸杞提升送入枸杞储存箱内。

上述的利用高速气流采摘枸杞的装置，所述间隙用有部分重叠的柔性材料填充。果树的底部树干能够挤开填充在枸杞接收盘或者枸杞输送带之间间隙的柔性材料而穿过。柔性材料与树干之间能够紧密地贴合，防止枸杞落在地上。

上述的利用高速气流采摘枸杞的装置，在高速气流的喷出管路上设置电磁阀；电磁阀开关频率为1～20Hz。通过电磁阀的开关，实现高速气流的通断，使得枸杞果实相对于枝条摆动。枸杞果实相对于枸杞枝条摆动，从而实现以较低的气流速度快速高效地将成熟的枸杞果实从枝条上吹落，同时减小了因气流的速度太高对青果以及花朵的伤害。在电磁阀的开关频率1～20Hz时，优选为2～6Hz，枸杞相对于枝条摆动最大。

上述的利用高速气流采摘枸杞的装置，喷嘴摆动频率为1～20Hz。通过喷嘴摆动，实现高速气流方向的改变，使得枸杞果实相对于枝条摆动。枸杞果实相对于枸杞枝条摆动，从而实现以较低的气流速度快速高效地将成熟的枸杞果实从枝条上吹落，同时减小了因气流的速度太高对青果以及花朵的伤害。喷嘴的摆动频率为1～20Hz时，优选3～7Hz，此时枸杞相对于枝条摆动最大。

总之，本技术的采摘方法和采摘装置可以实现在机器的行进过程中完成枸杞成熟果实的采摘工作，因而效率可以比现有的机械叉齿式的采收机高出数倍，是纯手工采摘效率的数十倍以上。

附图说明

图1是本技术的利用高速气流采摘枸杞的装置在采摘时的示意图。

图2是喷嘴相对于树冠的俯视示意图。

图3是本技术的另一种利用高速气流采摘枸杞的装置的示意图。

图4是图3中的喷嘴架、滑杆、滑台等零部件示意图。

图5是图3中的枸杞输送带、枸杞提升皮带等零部件示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1：

参见图1所示的利用高速气流采摘枸杞的装置，机架1的下部两侧各有两组滚轮（行走机构）2，空气压缩机和用于驱动滚轮转动的行走驱动装置分别设置在机架的两侧。在机架上有两根滑杆3、4，两根的滑杆上端相接，两根滑杆形成了开口向下的抛物线。多个喷嘴5设置在喷嘴座6上，每个喷嘴均与喷嘴座上的空气通道相通，两个喷嘴座上的空气通道分别通过喷出管路与空气压缩机的出气口相通。在两个喷出管路上各设置有电磁阀。喷嘴座可以沿着滑杆滑动，同时喷嘴又可以相对于喷嘴座摆动。在喷嘴座上设置有驱动喷嘴座相对于滑杆沿着滑杆移动的驱动装置和驱动喷嘴相对于喷嘴座摆动的摆动驱动装置。在机架下部两侧分别具有沿着水平方向延伸至抛物线开口下部的枸杞接收盘7，相对的枸杞接收盘内侧之间设置有左柔性板材11、右柔性板材12。左柔性板材11、右柔性板材12在常态时的宽度大于之间枸杞接收盘之间间隙13宽度的一半，左柔性板材11、右柔性板材12被挤压进间隙13内，左柔性板材11、右柔性板材12之间有一定的挤压力。树干10从左柔性板材11、右柔性板材12之间挤过时，左柔性板材11、右柔性板材12与树干之间紧密接触，防止枸杞漏掉；左柔性板材11、右柔性板材12之间的接触处略高，两侧略低，呈倒V字形，使得落在左柔性板材和右柔性板材上面的枸杞能够及时滚落到两侧的枸杞接收盘中。机架下部两侧的滚轮、两个枸杞接收盘等以抛物线的对称轴对称。

如图2所示，以距离喷嘴5最远的位置，即气流到达树冠的中心位置8（约700mm）为例，来计算将枸杞吹下来所需要的最小风速。空压机排气量为1.5m³/min，溢出压力为1.3MPa，喷嘴口径为3mm、在距离喷嘴约700mm的地方用手持式风速仪测得风速为12.8m/s。成熟的枸杞果实长18.4mm，宽径9.3mm，则其最大迎风面积为1.34×10^-4m²。风力的计算公式为，其中为空气密度，S为迎风面积，v为空气流速。取空气的密度为1.2kg/m³，则计算可得枸杞果实受到的风力约1.36×10^-2N，相当于1.39g的重物所受到的重力。当距离喷嘴5为200mm树冠周边9处，风速约18m/s，经计算作用在枸杞果实上的力相当于2.66g的重物的力。而根据经验，成熟的枸杞果实果柄结合力为2g，而成熟的枸杞果实自身重量已经超过0.6g，因而只要到达枸杞果实的风速超过12.8m/s，就可以实现成熟的枸杞果实与枸杞枝条的脱离。

采摘时，形成抛物线的滑杆在果树的两侧（环绕树冠），行走机构驱动本利用高速气流采摘枸杞的装置在地面上沿着一行行果树的轴线移动，抛物线的对称轴基本与一行行果树的轴线重合；即可快速完成对每一行果树中的每一株果树的连续采摘，大幅提高采摘效率。

实验中，通过摆动驱动装置控制喷嘴以5Hz的频率摆动时，枸杞果实相对枝条作强烈的摆动，使得枸杞果实更容易地从枝条上脱落，成熟枸杞果实的采净率大于90%。

实施例2：

通过电磁阀控制喷嘴从两侧交替向枸杞枝条吹气的间隔，以实现枸杞相对枝条的摆动。实验中测得喷嘴距离枸杞枝条的距离约350mm时气流到达枸杞枝条的速度约14m/s。两个电磁阀开关的频率为3Hz（打开状态和关闭状态时间相等），两个喷出管路交替吹气。根据实施例1种的计算公式，作用在成熟枸杞上的力为1.57×10^-2N，相当于1.6g的重物受到的重力，加上枸杞的自重超过0.6g，所以可以满足克服成熟枸杞的果柄结合力（2g）的条件，枸杞果实可以从枝条上脱落。加上通过电磁阀的开关实现高速气流的通断，使得枸杞果实相对于枝条摆动，更利于果实脱离枝条。

实施例3：

参见图3、4所示的利用高速气流采摘枸杞的装置，喷嘴架23包括左右两个升降板231，232；在左升降板上固定有两个左滑杆241和一个左滑台导杆251；在右升降板上固定有两个右滑杆242和一个右滑台导杆252。两个左滑杆241、左滑台导杆251相互平行，两个右滑杆242、右滑台导杆252相互平行。左滑杆241的上端向右倾斜，右滑杆242的上端向左倾斜。左滑杆和右滑杆形成了一个等腰梯形的两个腰。

两个左滑杆241上端以左纵杆261相连，两个右滑杆242上端以右纵杆262相连。左滑台271滑动设置在左滑台导杆上，右滑台272滑动设置在右滑台导杆上。

左滑台驱动电机281设置在左纵杆上，与左滑台驱动电机输出轴相连的左丝杠291与左滑台以螺旋副配合。右滑台驱动电机282设置在右纵杆上，与右滑台驱动电机输出轴相连的右丝杠292与右滑台以螺旋副配合。

在各滑杆上均套装有上下两个套筒30，两个套筒之间有喷嘴座22。喷嘴座22可以沿着滑杆滑动同时又可以相对于滑杆轴线摆动的设置在滑杆上。各喷嘴座上均设置有多个喷嘴21。左、右滑台分别通过连杆44与套筒30相连。

在左、右滑台上分别设置有喷嘴座摆动电机31，喷嘴座摆动电机31的输出轴与曲拐32相连，左右两侧的曲拐均通过摇杆33与喷嘴座相连。

左右两个升降板滑动设置在固定在机架45上的四根喷嘴架导轨34上。在机架上固定有两个喷嘴架驱动电机35，喷嘴架驱动电机35的输出轴与丝杠36相连，两个丝杠36分别与左右两个升降板以螺旋副配合。

在机架下部具有两组驱动机架行走的履带式行走机构37。在机架下部两侧分别具有沿着水平方向延伸的枸杞输送带43。与实施例1相同，参考图1，相对的枸杞输送带内侧之间设置有左柔性板材、右柔性板材。左柔性板材、右柔性板材在常态时的宽度大于两枸杞输送带之间间隙宽度的一半，左柔性板材、右柔性板材被挤压进间隙内，左柔性板材、右柔性板材之间有一定的挤压力。树干从左柔性板材、右柔性板材之间挤过时，左柔性板材、右柔性板材与树干之间紧密接触，防止枸杞漏掉；左柔性板材、右柔性板材之间的接触处略高，两侧略低，呈倒V字形，使得落在左柔性板材和右柔性板材上面的枸杞能够及时滚落到两侧的枸杞输送带中。

参见图5，在两个枸杞输送带的后端分别设置有枸杞提升皮带38及枸杞储存箱39。在机架上设置有驱动枸杞输送带的输送带驱动辊、驱动枸杞提升皮带的提升皮带驱动辊。输送带驱动辊、提升皮带驱动辊分别与输送电机相连40、提升电机41相连。在机架上还设置有发电机42，以为各电机提供电能。

机架下部两侧的履带式行走机构、两个枸杞输送带、升降杆、滑台、滑杆等以等腰梯形的对称轴对称。

喷嘴座上的每个喷嘴均与该喷嘴座上的空气通道相通，喷嘴座上的空气通道分别通过喷出管路与空气压缩机的出气口相通。在各喷出管路上各设置有电磁阀。通过电磁阀的打开和关闭实现高速气流的通断。

喷嘴架驱动电机动作，带动左右升降板（和位于升降板上的滑杆、滑台等）沿着喷嘴架导轨上下移动，这样可以针对不同高度的枸杞果树进行调节。左、右滑台驱动电机动作，带动左、右滑台（和位于滑台上的喷嘴座摆动电机）沿着左、右滑台导杆移动，与左、右滑台相连的套筒就沿着滑杆移动，喷嘴座在套筒的带动下就沿着滑杆移动。喷嘴座摆动电机31动作，通过曲拐32和摇杆33等组成的曲柄摇杆机构带动喷嘴座绕滑杆摆动。喷嘴座绕滑杆摆动的频率为3～7Hz；从喷嘴喷出的高速气流流速为14～22m/s。采摘时，滑杆在果树的两侧（环绕树冠），履带式行走机构驱动本利用高速气流采摘枸杞的装置在地面上沿着一行行果树的轴线移动，等腰梯形的对称轴基本与一行行果树的轴线重合；即可快速完成对每一行果树中的每一株果树的连续采摘，大幅提高采摘效率。

本技术利用变化的高速气流高效采摘枸杞的方法，压缩空气从喷嘴流出到达枸杞枝条的气流速度为12.8～18m/s，12.8m/s的气流速度对应于气流到达在树冠中心位置的枸杞枝条处的风速。18m/s的气流速度对应于气流到达距离喷嘴最近的枸杞枝条处的风速。通过控制气流速度的大小、变化的频率可以实现恰好只有成熟的枸杞果实从枸杞枝条上脱离，而青果、花朵因其果柄结合力较大、体积小，其受到的风力不足以使其从枝条上脱离。喷嘴的位置可以根据枸杞分批成熟的生长特点而沿着枝条方向上下调节，使得高速气流绝大部分作用于成熟的枸杞果实。

本技术可以集成应用到田园机械上、配以较大的枸杞收集箱实现完全机械化的、连续的采摘，因而可以大大提高采摘效率，比机械式的通过叉齿摇动枝条采摘枸杞的方法高出数倍以上，比纯手工采摘的效率高出数十倍,同时减小了工人劳动强度，可以大幅降低枸杞的采摘成本。本技术特别适合枸杞的规模种植园，符合当今大力推进农林业机械化、智能化发展的产业发展趋势，必定会促进枸杞产业的快速发展，带来更大的规模效益。

Claims (8)

1.利用高速气流采摘枸杞的装置，它具有机架，其特征是：机架上设置有与压缩气体源相通、用于喷出高速气流的喷出管路；高速气流流速为12.8～20m/s；

在机架上设置有滑杆，喷嘴设置在喷嘴座上，喷嘴座可以沿着滑杆滑动同时又可以相对于滑杆摆动的设置在滑杆上，套筒滑动设置在滑杆上；喷嘴与喷出管路出口相连通；滑台在平行于滑杆的方向上滑动的设置在机架上，滑台与驱动滑台相对于机架移动的滑台驱动机构相连；套筒和滑台固连；喷嘴座与设置在滑台上的、用于驱动喷嘴座绕滑杆摆动的喷嘴座摆动机构相连。

2.如权利要求1所述的利用高速气流采摘枸杞的装置，其特征是：它还包括一个可以相对于机架上下移动的喷嘴架，喷嘴架与设置在机架上的用于驱动喷嘴架上下移动的喷嘴架驱动机构相连；对喷嘴架上下移动导向的喷嘴架导轨设置在机架上；滑杆设置在喷嘴架上；滑台在平行于滑杆方向上滑动的设置在喷嘴架上，滑台与驱动滑台相对于喷嘴架移动的滑台驱动机构相连；所述滑杆是倾斜的。

3.如权利要求1所述的利用高速气流采摘枸杞的装置，其特征是：所述滑杆有两根,左右对称的设置在机架的左右侧；机架下部具有两组驱动机架行走的行走机构，行走机构以滑杆的对称轴对称。

4.如权利要求3所述的利用高速气流采摘枸杞的装置，其特征是：在机架下部两侧分别具有沿着水平方向延伸的枸杞接收盘或者枸杞输送带，枸杞接收盘或者枸杞输送带之间有间隙。

5.如权利要求4所述的利用高速气流采摘枸杞的装置，其特征是：所述间隙用有部分重叠的柔性材料填充。

6.如权利要求5所述的利用高速气流采摘枸杞的装置，其特征是：在枸杞输送带的一端设置有枸杞提升皮带及枸杞储存箱。

7.如权利要求1所述的利用高速气流采摘枸杞的装置，其特征是：在高速气流的喷出管路上设置电磁阀；电磁阀开关频率为1～20Hz。

8.如权利要求1所述的利用高速气流采摘枸杞的装置，其特征是：喷嘴座摆动频率为1～20Hz。